物理和物理實驗的極限
一百年前，物理學的情況與今天完全相反。 在科學家手中是經過驗證的實驗的結果，重複了很多次，然而，這往往無法用現有的物理理論來解釋。 經驗明顯先於理論。 理論家必須開始工作。
目前，天平正向理論家傾斜，他們的模型與弦理論等可能的實驗所看到的非常不同。 而且似乎物理學中有越來越多的未解決問題（1）。
1. 物理學中最重要的現代趨勢和問題——可視化
著名的波蘭物理學家，教授。 Andrzej Staruszkiewicz 在 2010 年 XNUMX 月在克拉科夫 Ignatianum 學院舉行的“物理學知識的限制”辯論中說： “在上個世紀，知識領域有了巨大的發展，但無知的領域發展得更多。 （……）廣義相對論和量子力學的發現是人類思想的不朽成就，可與牛頓相媲美，但它們引出了兩個結構之間關係的問題，這個問題的複雜程度簡直令人震驚。 在這種情況下，自然會產生疑問：我們能做到嗎？ 我們追查真相的決心和意志是否與我們面臨的困難相稱？”
實驗僵局
幾個月來，物理學界比平時更忙，爭議也更多。 在《自然》雜誌上，喬治·埃利斯和約瑟夫·西爾克發表了一篇捍衛物理學完整性的文章，批評了那些越來越願意將實驗以測試最新宇宙學理論的人推遲到無限期的“明天”。 它們應該以“足夠優雅”和解釋價值為特徵。 “這打破了數百年來的科學傳統，即科學知識是經過經驗證明的知識，”科學家們大聲疾呼。 事實清楚地表明了現代物理學的“實驗僵局”。
關於世界和宇宙的性質和結構的最新理論通常無法通過人類可用的實驗來驗證。
通過發現希格斯玻色子，科學家們已經“完成”了標準模型。 然而，物理學的世界遠未滿足。 我們知道所有的夸克和輕子，但我們不知道如何將其與愛因斯坦的引力理論相協調。 我們不知道如何將量子力學與引力相結合來創建一個假設的量子引力理論。 我們也不知道大爆炸是什麼（或者它是否真的發生了！） （2）。
目前，我們稱之為經典物理學家，標準模型之後的下一步是超對稱，它預測我們所知道的每一個基本粒子都有一個“夥伴”。
這使物質組成部分的總數翻了一番，但該理論完全符合數學方程，更重要的是，它提供了一個解開宇宙暗物質之謎的機會。 剩下的只是等待大型強子對撞機的實驗結果，這將證實超對稱粒子的存在。
然而，還沒有從日內瓦聽到這樣的發現。 當然，這只是 LHC 新版本的開始，具有兩倍的衝擊能量（經過最近的維修和升級）。 幾個月後，他們可能會為了慶祝超對稱而拍攝香檳瓶塞。 然而，如果這沒有發生，許多物理學家認為，超對稱理論以及基於超對稱的超弦理論將不得不逐漸退出。 因為如果大型對撞機不能證實這些理論，那又如何？
然而，也有一些科學家不這麼認為。 因為超對稱理論太“美而不會錯”。
因此，他們打算重新評估他們的方程，以證明超對稱粒子的質量完全超出了 LHC 的範圍。 理論家是非常正確的。 他們的模型擅長解釋可以通過實驗測量和驗證的現象。 因此有人可能會問，為什麼我們應該排除那些我們（還）不能憑經驗知道的理論的發展。 這是一個合理和科學的方法嗎？
從無到有的宇宙
自然科學，尤其是物理學，是基於自然主義的，即相信我們可以用自然的力量來解釋一切。 科學的任務被簡化為考慮描述自然界中存在的現像或某些結構的各種量之間的聯繫。 物理學不處理無法用數學方法描述、無法重複的問題。 這也是其成功的原因之一。 用於模擬自然現象的數學描述已被證明是非常有效的。 自然科學的成就導致了它們的哲學概括。 創造了機械哲學或科學唯物主義等方向，將XNUMX世紀末之前獲得的自然科學成果轉移到哲學領域。
似乎我們可以知道整個世界，自然界中存在完全的決定論，因為我們可以確定行星在數百萬年之後將如何運動，或者它們在數百萬年前是如何運動的。 這些成就引起了一種使人類思想絕對化的自豪感。 即使在今天，方法論自然主義在決定性的程度上也促進了自然科學的發展。 然而，有一些分界點似乎表明了自然主義方法論的局限性。
如果宇宙在體積上是有限的並且是“無中生有”（3）產生的，而不違反能量守恆定律，例如，作為一個波動，那麼它應該沒有變化。 與此同時，我們正在觀察他們。 試圖在量子物理學的基礎上解決這個問題，我們得出的結論是，只有有意識的觀察者才能實現這樣一個世界存在的可能性。 這就是為什麼我們想知道為什麼我們生活的特定宇宙是由許多不同的宇宙創造的。 所以我們得出結論，只有當一個人出現在地球上時，世界——正如我們所觀察到的——才真正“成為”……
測量如何影響十億年前發生的事件？
4.惠勒實驗——可視化
現代物理學家之一約翰·阿奇博爾德·惠勒提出了著名的雙縫實驗的太空版本。 在他的心智設計中，來自距離我們 4 億光年的類星體的光沿著銀河系的相對兩側傳播 (XNUMX)。 如果觀察者分別觀察這些路徑中的每一個，他們將看到光子。 如果兩者同時出現，他們就會看到波浪。 因此，觀察行為本身就改變了十億年前離開類星體的光的性質！
對於惠勒來說，以上證明了宇宙不可能存在於物理意義上，至少在我們習慣於理解“物理狀態”的意義上。 過去也不可能發生，直到……我們進行了測量。 因此，我們當前的維度會影響過去。 通過我們的觀察、探測和測量，我們塑造了過去的事件，在時間的深處，直到……宇宙的開始！
加拿大滑鐵盧周邊研究所的尼爾·特克在 XNUMX 月號的《新科學家》雜誌上說：“我們無法理解我們的發現。 理論變得越來越複雜和精密。 我們將自己投入到一個連續場、維度和對稱性的問題中，即使是用扳手，但我們無法解釋最簡單的事實。” 許多物理學家顯然對現代理論家的心路歷程感到惱火，例如上述考慮或超弦理論，與目前在實驗室進行的實驗無關，也沒有辦法通過實驗來檢驗它們。
在量子世界裡，你需要看得更遠
正如諾貝爾獎獲得者理查德費曼曾經說過的那樣，沒有人真正了解量子世界。 與古老的牛頓世界不同，在該世界中，具有一定質量的兩個物體的相互作用是通過方程計算的，在量子力學中，我們有方程，它們並沒有從這些方程中得到太多的遵循，而是在實驗中觀察到的奇怪行為的結果。 量子物理學的對像不必與任何“物理”相關聯，它們的行為是一個稱為希爾伯特空間的抽像多維空間的域。
薛定諤方程描述了一些變化，但具體原因未知。 這可以改變嗎？ 是否有可能從物理學原理中推導出量子定律，例如，關於物體在外層空間運動的許多定律和原理都是從牛頓原理中推導出來的？ 意大利帕維亞大學的科學家 Giacomo Mauro D'Ariano、Giulio Ciribella 和 Paolo Perinotti 認為，即使是明顯違反常識的量子現像也可以在可測量的實驗中檢測到。 你所需要的只是正確的視角—— 也許對量子效應的誤解是由於對它們的看法不夠廣泛。 根據《新科學家》中上述科學家的說法，量子力學中有意義且可測量的實驗必須滿足幾個條件。 這是：
- 因果關係 - 未來事件不能影響過去事件；
- 可區分性 - 聲明我們必須能夠彼此分開；
- 組成 - 如果我們知道過程的所有階段，我們就知道整個過程；
- 壓縮 – 有一些方法可以傳輸有關芯片的重要信息，而無需傳輸整個芯片；
- 斷層攝影術 – 如果我們有一個由許多部分組成的系統，那麼按部分測量的統計數據足以揭示整個系統的狀態。
意大利人希望擴大他們的淨化原理、更廣闊的視野和有意義的實驗，以包括熱力學現象的不可逆性和熵增長原理，這並沒有給物理學家留下深刻印象。 也許在這裡，觀察和測量也受到視角太窄而無法理解整個系統的偽影的影響。 “量子理論的基本事實是，通過在描述中添加新的佈局，可以使嘈雜的、不可逆的變化變得可逆，”意大利科學家 Giulio Ciribella 在接受 New Scientist 採訪時說。
不幸的是，懷疑論者說，實驗的“清理”和更廣泛的測量視角可能會導致多世界假設，在該假設中，任何結果都是可能的，並且科學家認為他們正在測量事件的正確過程，只需“選擇”一個通過測量它們來確定某些連續體。
5.時鐘指針形式的時間指針
沒時間？
所謂時間之箭（5）的概念是由英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓於 1927 年提出的。 這個箭頭表示時間，它總是沿著一個方向流動，即從過去流向未來，這個過程不能逆轉。 斯蒂芬霍金在他的《時間簡史》中寫道，無序隨著時間的推移而增加，因為我們在無序增加的方向上測量時間。 這意味著我們有一個選擇——例如，我們可以先觀察散落在地板上的碎玻璃片，然後觀察玻璃落到地板上的那一刻，然後是空中的玻璃，最後是在拿著它的人。 沒有科學規律，“時間的心理箭頭”必須與熱力學箭頭的方向相同，系統的熵增加。 然而，許多科學家認為之所以如此，是因為人類大腦中發生了能量變化，類似於我們在自然界中觀察到的變化。 大腦有行動、觀察和推理的能量，因為人類的“引擎”燃燒燃料和食物，並且就像在內燃機中一樣，這個過程是不可逆的。
然而，有些情況下，在保持心理時間箭頭的相同方向的同時，熵在不同系統中既增加又減少。 例如，在計算機內存中保存數據時。 機器中的內存模塊從無序狀態變為磁盤寫入順序。 因此，計算機中的熵減少了。 然而，任何物理學家都會說，從整個宇宙的角度來看——它在增長，因為它需要能量來寫入磁盤，而這種能量以機器產生的熱量的形式消散。 因此，對既定的物理定律有一個小的“心理”阻力。 我們很難認為風扇噪音所帶出的東西比記憶中的作品或其他價值的記錄更重要。 如果有人在他們的 PC 上寫下一個將推翻現代物理學、統一力理論或萬物理論的論點怎麼辦？ 我們很難接受這樣一種觀點，即儘管如此，宇宙中的普遍無序卻有所增加。
早在 1967 年，Wheeler-DeWitt 方程就出現了，從那時起它並不存在。 這是一種將量子力學和廣義相對論在數學上結合起來的嘗試，是朝著量子引力理論邁出的一步，即所有科學家都渴望的萬物理論。 直到 1983 年，物理學家唐·佩奇 (Don Page) 和威廉·沃特斯 (William Wutters) 才提出可以使用量子糾纏的概念來規避時間問題的解釋。 根據他們的概念，只能測量已定義系統的屬性。 從數學的角度來看，這個提議意味著時鐘不能獨立於系統工作，只有在與某個宇宙糾纏在一起時才會啟動。 然而，如果有人從另一個宇宙看我們，他們會將我們視為靜止的物體，只有他們的到來才會引起量子糾纏，讓我們真正感受到時間的流逝。
這一假設構成了意大利都靈一家研究所的科學家工作的基礎。 物理學家 Marco Genovese 決定建立一個考慮量子糾纏細節的模型。 可以重新創建一種物理效果，表明這種推理的正確性。 已經創建了一個由兩個光子組成的宇宙模型。
一對是定向的——垂直極化，另一對水平極化。 然後，它們的量子態及其偏振會被一系列檢測器檢測到。 事實證明，在達到最終確定參考系的觀察結果之前，光子處於經典的量子疊加狀態，即它們是垂直和水平方向的。 這意味著觀察時鐘的觀察者決定了影響他成為其中一部分的宇宙的量子糾纏。 然後，這樣的觀察者能夠根據量子概率感知連續光子的偏振。
這個概念非常誘人，因為它解釋了許多問題，但它自然會導致需要一個“超級觀察者”，他將超越所有的決定論，並將一切作為一個整體來控制。
6. 多元宇宙-可視化
我們所觀察到的以及我們主觀上認為的“時間”實際上是我們周圍世界可測量的全球變化的產物。 隨著我們深入研究原子、質子和光子的世界，我們意識到時間的概念變得越來越不重要。 根據科學家的說法，每天陪伴我們的時鐘，從物理的角度來看，並不是測量它的經過，而是幫助我們組織我們的生活。 對於那些習慣於牛頓普遍和包羅萬象的時間概念的人來說，這些概念是令人震驚的。 但不僅科學傳統主義者不接受他們。 著名理論物理學家李斯莫林（Lee Smolin），我們之前提到的今年諾貝爾獎的可能獲得者之一，認為時間是存在的，並且是相當真實的。 曾經——像許多物理學家一樣——他認為時間是一種主觀錯覺。
現在，在他的《重生時間》一書中，他對物理學採取了完全不同的看法，並批評了科學界流行的弦理論。 據他說，多元宇宙並不存在（6），因為我們同時生活在同一個宇宙中。 他認為時間至關重要，我們對當下現實的體驗不是幻覺，而是理解現實本質的關鍵。
熵為零
Sandu Popescu、Tony Short、Noah Linden (7) 和 Andreas Winter 在 2009 年的《物理評論 E》雜誌上描述了他們的發現，這表明物體通過進入量子糾纏態與它們的量子糾纏態實現平衡，即能量均勻分佈的狀態。周圍環境。 2012 年，托尼·肖特證明了糾纏會導致有限的時間平等。 當一個物體與環境相互作用時，例如當一杯咖啡中的顆粒與空氣碰撞時，關於它們的屬性的信息會向外“洩漏”並在整個環境中變得“模糊”。 信息的丟失導致咖啡的狀態停滯不前，即使整個房間的清潔狀態不斷變化。 根據波佩斯庫的說法，她的病情會隨著時間的推移而停止變化。
7. 諾亞·林登、桑杜·波佩斯庫和托尼·肖特
隨著房間潔淨狀態的變化，咖啡可能會突然停止與空氣的混合，進入自己的潔淨狀態。 然而，與環境混合的狀態比咖啡可用的純狀態要多得多，因此幾乎不會發生。 這種統計上的不可能性給人的印像是時間之箭是不可逆的。 時間之箭的問題被量子力學模糊，難以確定性質。
基本粒子沒有精確的物理性質，僅由處於不同狀態的概率決定。 例如，在任何給定時間，一個粒子可能有 50% 的機會順時針轉動，而有 50% 的機會向相反方向轉動。 物理學家約翰貝爾的經驗強化了該定理，指出粒子的真實狀態不存在，它們由概率引導。
然後量子不確定性導致混亂。 當兩個粒子相互作用時，它們甚至無法自行定義，獨立發展的概率稱為純態。 相反，它們成為兩個粒子一起描述的更複雜概率分佈的糾纏分量。 例如，這種分佈可以決定粒子是否會朝相反的方向旋轉。 系統作為一個整體處於純狀態，但單個粒子的狀態與另一個粒子相關聯。
因此，兩者可以相距許多光年，並且彼此的旋轉將保持相互關聯。
時間箭頭的新理論將其描述為由於量子糾纏導致的信息丟失，它使一杯咖啡與周圍的房間保持平衡。 最終，房間與環境達到平衡，而它又慢慢地與宇宙的其他部分接近平衡。 研究熱力學的老科學家認為這個過程是能量的逐漸消散，增加了宇宙的熵。
今天，物理學家認為信息變得越來越分散，但從未完全消失。 儘管熵在局部增加，但他們認為宇宙的總熵始終保持在零。 然而，時間之箭的一個方面仍未解決。 科學家們認為，一個人記住過去而不是未來的能力，也可以理解為相互作用粒子之間關係的形成。 當我們在一張紙上閱讀信息時，大腦會通過到達眼睛的光子與它進行交流。
只有從現在開始，我們才能記住這條信息告訴我們什麼。 波佩斯庫認為，新理論並不能解釋為什麼宇宙的初始狀態遠未達到平衡，並補充說應該解釋大爆炸的本質。 一些研究人員對這種新方法表示懷疑，但這一概念和新數學形式的發展現在有助於解決熱力學的理論問題。
伸手去拿時空的顆粒
正如一些數學模型所暗示的，黑洞物理學似乎表明我們的宇宙根本不是三維的。 不管我們的感官告訴我們什麼，我們周圍的現實可能是一個全息圖——一個實際上是二維的遙遠平面的投影。 如果這個宇宙圖景是正確的，那麼一旦我們掌握的研究工具變得足夠敏感，對時空三維性質的錯覺就會被消除。 費米實驗室物理學教授克雷格霍根多年來一直研究宇宙的基本結構，他認為這個水平剛剛達到。
8. GEO600引力波探測器
如果宇宙是一個全息圖，那麼也許我們剛剛達到現實分辨率的極限。 一些物理學家提出了一個有趣的假設，即我們生活的時空最終並不是連續的，而是像數碼照片一樣，在最基本的層面上由某些“顆粒”或“像素”組成。 如果是這樣，我們的現實必須有某種最終的“解決方案”。 這就是一些研究人員對 GEO600 引力波探測器結果中出現的“噪音”的解釋 (8)。
為了驗證這個非凡的假設，引力波物理學家克雷格霍根和他的團隊開發了世界上最精確的干涉儀，稱為霍根全息儀，旨在以最準確的方式測量時空的最基本本質。 這個代號為 Fermilab E-990 的實驗並非眾多其他實驗之一。 這個旨在展示空間本身的量子性質以及科學家所謂的“全息噪聲”的存在。
全息儀由並排放置的兩個乾涉儀組成。 他們將一千瓦的激光束引導到一個設備上，該設備將它們分成兩束 40 米長的垂直光束，這些光束被反射並返回到分裂點，從而產生光束亮度的波動 (9)。 如果它們在分割裝置中引起某種運動，那麼這將是空間本身振動的證據。
9. 全息實驗的圖形表示
霍根團隊最大的挑戰是證明他們發現的影響不僅僅是由實驗裝置之外的因素引起的擾動，而是時空振動的結果。 因此，干涉儀中使用的鏡子將與來自設備外部並由特殊傳感器接收的所有最小噪聲的頻率同步。
人類宇宙
為了讓世界和人類存在於其中，物理定律必須有一個非常具體的形式，物理常數必須有精確選擇的值......它們是！ 為什麼？
讓我們從宇宙中存在四種相互作用的事實開始：引力（墜落、行星、星系）、電磁（原子、粒子、摩擦、彈性、光）、弱核（恆星能量的來源）和強核（將質子和中子結合成原子核）。 重力比電磁力弱 1039 倍。 如果它再弱一點，星星就會比太陽輕，超新星就不會爆炸，重元素就不會形成。 如果它再強大一點，比細菌還大的生物就會被壓碎，恆星經常會發生碰撞，摧毀行星並過快地燃燒自己。
宇宙的密度接近臨界密度，低於臨界密度，物質會迅速消散而不會形成星系或恆星，高於臨界密度，宇宙會活得太久。 對於這種情況的發生，大爆炸參數的匹配精度應該在±10-60以內。 年輕宇宙最初的不均勻性為 10-5。 如果它們更小，就不會形成星系。 如果它們更大，就會形成巨大的黑洞而不是星系。
宇宙中粒子和反粒子的對稱性被打破。 每個重子（質子、中子）都有 109 個光子。 如果有更多，星係就無法形成。 如果它們的數量更少，就不會有星星。 此外，我們生活的維度數量似乎是“正確的”。 複雜的結構不可能出現在二維中。 超過四個（三個維度加上時間），穩定的行星軌道的存在和原子中電子的能級變得有問題。
10. 人是宇宙的中心
人擇原理的概念是由布蘭登卡特於 1973 年在克拉科夫舉行的一次專門紀念哥白尼誕辰 500 週年的會議上提出的。 一般而言，它可以這樣表述，即可觀測宇宙必須滿足它所滿足的條件才能被我們觀測到。 到目前為止，它有不同的版本。 弱人擇原理指出，我們只能存在於一個使我們的存在成為可能的宇宙中。 如果常量的值不同，我們永遠不會看到這一點，因為我們不會在那裡。 強人擇原理（有意解釋）說宇宙是這樣的，我們可以存在 （10）。
從量子物理學的角度來看，任何數量的宇宙都可能無緣無故地出現。 我們最終進入了一個特定的宇宙，它必須滿足許多微妙的條件才能讓一個人生活在其中。 然後我們在談論人類世界。 例如，對於一個信徒來說，一個由上帝創造的人類宇宙就足夠了。 唯物主義世界觀不接受這一點，並假設有許多宇宙，或者當前的宇宙只是多元宇宙無限演化的一個階段。
現代版本的宇宙模擬假設的作者是理論家尼克拉斯博斯特倫。 據他說，我們所感知的現實只是我們沒有意識到的模擬。 這位科學家提出，如果可以用足夠強大的計算機對整個文明甚至整個宇宙進行可靠的模擬，並且模擬的人可以體驗意識，那麼很可能先進文明只是創造了大量這種模擬，我們生活在其中一個類似於矩陣（11）的地方。
這裡提到了“上帝”和“矩陣”這兩個詞。 在這裡，我們談到了談論科學的極限。 包括科學家在內的許多人認為，正是因為實驗物理學的無奈，科學才開始進入與現實主義相反的領域，有形而上學和科幻小說的味道。 仍然希望物理學能夠克服其經驗危機，並再次找到一種方法來為一門可通過實驗驗證的科學而歡欣鼓舞。
